“失误”的力量：理论与实验的“不匹配”催生碳捕获新材料突破

科学家指出：“理论与实验不匹配不是失败，而是机遇。”

别再以为失误就是失败。有时，科学上的“意外发现”恰恰是推动进步的关键。一项关于碳捕获材料的新研究带来了深刻启示：计算机预测与实验室结果之间的意外偏差，反而催生了一项可能重塑气候变化应对格局的突破性发现。

一切始于一个科学谜题。以计算建模闻名的芝加哥大学劳拉·加利亚尔迪教授团队通过模拟预测了一种结果，而加州大学伯克利分校诺贝尔奖得主奥马尔·亚吉教授的实验团队却得到了不同结论。在尝试直接从空气中捕获二氧化碳时，名为“共价有机框架”（COF）的材料并未表现出预期性能。

该研究第一作者希拉勒·达拉尔在12月22日的新闻稿中表示：“模拟与实验之间的不匹配并非失败，而是机遇。”

水分子之谜

在二氧化碳排放持续增加的背景下，碳捕获材料已成为从大气中清除过量温室气体的关键技术。网状框架材料是一种带有微小孔洞的类海绵晶体，这些孔洞能像陷阱般捕获大气中的二氧化碳。

由于这类材料具有可定制的大比表面积，研究人员正将其用作捕获和储存二氧化碳、甲烷等温室气体的“分子海绵”。在这项工作中，团队模拟了一种前景广阔的碳捕获材料（COF-999-NH2），但模拟结果与物理实验数据始终不符。

研究团队没有忽视这个误差，而是深入探究并发现了隐藏的残留水分子。即使实验人员认为COF材料已完全干燥，其微孔中仍残留着微量水。这些残留水会主动占据预设的碳捕获位点，导致材料效率降低。

加利亚尔迪解释说：“在实验与理论的反复印证中，我们开始推测合成材料中存在残留水分子——由于实验人员认为材料已完全脱水，我们最初并未在模型中纳入这个因素。”

COF材料的疏水性解决方案

这一发现催生了一条精巧且可实施的设计原则：在COF形成过程中控制孔隙疏水性。研究团队通过让孔洞具备防水特性，确保材料能发挥最佳性能。达拉尔指出：“这能防止吸附位点阻塞和不良副反应，从而实现更高效的碳捕获。”

研究还表明，结构不规则性（如弯曲和晶格收缩）是材料固有特征而非制造缺陷。这些发现凸显了计算建模的关键作用——当实验与理论初始不匹配时，计算模型能帮助科学家模拟超越人类“化学直觉”的情景，揭示隐藏的物理真相。

仅靠可再生能源并不足以应对气候变化，全球专家强调必须同时部署主动捕获系统以实现气候目标。通过排除水分子对捕获过程的干扰，科学家能创造出更高效、更持久的材料来应对空气污染和气候变化。

这项研究最终可能催生新一代材料结构，将“净化天空污染物”的紧迫目标转化为切实可行、可规模化推广的解决方案。

相关研究成果已于12月21日发表在《美国化学会志》上。

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